CN111305891B - 煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法 - Google Patents

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CN111305891B CN201911221021.5A CN201911221021A CN111305891B CN 111305891 B CN111305891 B CN 111305891B CN 201911221021 A CN201911221021 A CN 201911221021A CN 111305891 B CN111305891 B CN 111305891B
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Abstract

本发明公开的煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，包括如下步骤，S10、计算煤层瓦斯地质储量和围岩油气地质储量；S20，建立钻孔布置合理参数模型；S30：在煤层中施工顺煤层定向长钻孔，并进行分段水力压裂施工；S40：通过抽采数据监测，结合抽采达标周期等参数，综合评价治理效果，为类似地质条件下的治理区域提供设计依据。形成了针对煤油气共存矿井灾害的多维度立体化围岩油气—煤层瓦斯的综合抽采防治技术，实现采动空间灾害气体动态的时空立体抽采，提高矿井采掘和瓦斯抽采效率，从根本上解决矿井气体灾害问题。

Description

煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法
技术领域
本发明涉及煤矿井下安全技术领域，尤其涉及一种煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法。
背景技术
鄂尔多斯盆地是多旋回发育的中生代克拉通盆地，是我国陆上最大的煤、油气沉积盆地之一。湖盆自晚三叠系后在发生-发展-消亡沉积演化的过程中形成了完整的湖泊-三角洲相沉积演化旋回，为各类天然气的共存提供了良好的沉积环境条件。20世纪初至今以戴金星、王竹泉、袁复礼等为首的学者和专家针对盆地内构造演化、沉积特征等做了论述，阐明了盆地内煤油气共存的客观事实。
黄陵矿区位于鄂尔多斯盆地南缘，三叠系上统及侏罗系中、下统发育多套油气储盖层组合，具有煤油气共存的客观条件。煤田勘查钻孔揭露矿区内含油气钻孔近150个，其中，5个钻孔出现气体喷出或逸出，甚至矿区井检孔在施工过程中，气体喷出高度达10～30m。近年随着采掘活动的拓展和开采深度的增加，多个矿井在采掘过程中出现了十多次围岩气体异常涌出，造成工作面停采停掘。这种围岩气异常涌出具有突发性、隐蔽性(异常涌出前无明显征兆)、涌出集中(24小时累计涌出量约6.4万m3)和涌出量大(最大涌出21万m3)等特点，对煤矿安全生产构成了严重威胁。通过研究和分析，在煤层开采影响范围内的延安组、及其上部直罗组和下部的富县组和瓦窑堡组砂岩层均赋存有油型气，即开采煤层顶底板围岩中含有油型气，煤层中赋存大量煤层瓦斯。生产过程中面临本煤层、围岩油气及下伏煤层的多源灾害气体威胁，目前采用“广撒网、密布孔”探采、先抽(探)后采(掘)的防治措施，该措施对灾害气体的防治，起到一定控制效果，但存在钻探工程量大、钻孔利用率低、达标时间长等问题。亟需开发适合黄陵矿区的多维度立体化围岩油气—煤层瓦斯的综合抽采防治技术，实现采动空间灾害气体动态的时空立体抽采。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，以克服上述缺陷。。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，利用定向长钻孔成孔技术和装备，保证钻孔轨迹精准、超长布置于目标层位中，采用分段压裂增透技术建立煤层—围岩人造裂隙网络增透抽采通道体系，达到围岩油气与煤层瓦斯高效、精准“同抽同治”，形成油型气高效精准治理技术体系，实现采前、采中、采后时间立体，顶板油气、底板油气、煤层瓦斯、采空区瓦斯三维空间的多源时空立体综合抽采防治方法系统目标。
为实现上述目的，本发明公开了一种煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，包含如下步骤：
S10：收集治理区域的地质资料，并以构造边界、油气目标层或煤层歼灭区域、目标层厚度、矿权边界、自然地理边界为围岩油气赋存边界，依据围岩油气赋存边界和地质资料，计算煤层瓦斯地质储量和围岩油气地质储量；
煤层瓦斯地质储量计算公式为：Gi＝0.01AhD Cad，Cad＝Cadf(100-Mad-Ad)/100；
其中，Gi—煤层瓦斯地质储量，108m3；A—煤层含气面积，km2；h—煤层厚度，m；D—煤的空气干燥基质量密度，t/；Cad—煤的空气干燥基含气量，m3/t；Cadf煤的干燥无灰基，m3/t；Mad煤中原煤基水分，％；Ad—煤中灰分，％；
围岩油气地质储量计算公式为：
Figure GDA0002969871720000021
其中，Qg—围岩油气地质储量，108m3；A—油气含气面积，km2；h—煤层厚度，m；
Figure GDA0002969871720000022
—有效孔隙度；Sgi—原始含气饱和度，％；Bgi油气原始体积系数；
S20：依据计算的煤层瓦斯地质储量和围岩油气地质储量，圈定治理区域的范围，以抽采达标体系为基准，结合油气赋存状态，建立钻孔布置合理参数模型；
S30：在煤层中施工顺煤层定向长钻孔，并进行分段水力压裂施工；
根据优选的顶板围岩油气层位分布特征，将顶板羽状定向长钻孔主孔布置于围岩油气层位中部，通过上、下开分支，形成顶板羽状定向长钻孔分支孔，结合分段压裂装备，在顶板羽状定向长钻孔分支孔和顶板羽状定向长钻孔主孔进行分段压裂施工；
根据优选的底板围岩油气层位分布特征，将底板梳状长钻孔主孔布置于围岩油气层位中部，通过向上开底板梳状长钻孔分支孔，并进行压裂增透施工，辅以采空区埋管及密闭插管治理方法，建立采前、采中、采后时间立体，顶板油气、底板油气、煤层瓦斯、采空区瓦斯、三维空间的多源时空立体综合抽采防治方法系统；
S40：通过抽采数据监测，结合抽采达标周期参数，综合评价治理效果，为类似地质条件下的治理区域提供设计依据。
为更好的实现上述方案，可进一步地，在S10中，所述收集治理区域的地质资料包括煤层厚度等值线图、构造发育平面分布图、油气岩层厚度等值线图，矿井地质报告，治理区域内岩性平剖面分布，煤质分析结果，煤层气含量，油气原始含气饱和度及油气原始体积系数。
进一步地，在S10中，目标层边界厚度是指：煤层低于0.5m，油气岩层低于0.7m。
进一步地，在S10中，围岩油气赋存边界，是指利用地面和井下钻孔实钻揭露的岩性特征，结合在钻探施工过程中，油气涌出或喷出现象，综合沉积相岩性分析方法进行确定。
进一步地，在S10中，通过精细地质分析和沉积微相相控技术，透明化展示主采煤层开采影响范围内地层展布特征，并利用回转和定向滑移钻进技术，结合随钻测量系统的实时钻进参数监测，可实现钻孔轨迹的平面、剖面位置的实时反馈和精准控制，实现目标层位的精确治理。
进一步地，在S20中，抽采达标体系包括围岩油气压力、围岩油气地质储量和油气预抽率，其中，围岩油气压力降至0.74MPa以下，围岩油气地质储量低于4m3/t，油气预抽率达到30％以上；
进一步地，在S20中，钻孔布置合理参数模型包括钻孔层位、钻孔长度L、直径D、数目n及分支数目m，层位选择根据围岩油气和煤层瓦斯赋存位置选择，通过定向长钻孔装备和技术进行控制；
其中，L为500～800m，D为96mm或120mm，n＝Gi/gi+Qg/qg；
gi为单个顺煤层分段压裂长钻孔t时间内的抽采量，qg围岩梳状或羽状长钻孔t时间内抽采量，t为设计抽采达标时间。
进一步地，在S40中，回采前超前在油气目标层位和煤层中布置定向长钻孔长度大于500m，并采用分段水力压裂技术进行增透施工；
采前预抽采用顺煤层定向长钻孔、顶板羽状定向长钻孔主孔及底板梳状长钻孔主孔分段增透预抽，达到回采达标条件，进行回采；
采中利用顶板羽状定向长钻孔主孔、底板梳状长钻孔主孔分段增透抽采及采空区埋管抽采技术进行动态抽采；
采后通过顶板羽状定向长钻孔主孔和密闭插管抽采进行抽采，如过回采后底板抽采钻孔为发生或完全发生堵塞、坍塌，底板梳状孔仍可作为抽采钻孔进行采空区瓦斯抽采；
顺煤层定向长钻孔分段增透预抽治理主采煤层瓦斯，顶板羽状定向长钻孔主孔抽采顶板油气和采空区瓦斯，兼顾抽采本煤层瓦斯；底板梳状长钻孔主孔抽采底板油气，兼顾抽采本煤层瓦斯；采空区埋管抽采和密闭插管抽采针对采空区瓦斯和油气进行抽采。
进一步地，在S30中增透施工过程中，通过多点、多段压裂增透手段，在储层内形成了一个由天然裂缝与人工改造的多级、多类裂缝相互交错的裂缝网络体系，改变储层三维空间渗透性。
通过上述内容可知，本发明的煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法具有如下效果：
1、形成了针对煤油气共存矿井灾害的多维度立体化围岩油气—煤层瓦斯的综合抽采防治技术，实现采动空间灾害气体动态的时空立体抽采，提高矿井采掘和瓦斯抽采效率，从根本上解决矿井气体灾害问题。
2、以围岩气及煤层瓦斯治理区域精准预测结果为基础，结合定向长钻孔工艺技术，综合采用顶板羽状、顺煤层、底板梳状分段压裂增透方法，提出了顶板围岩气、煤层瓦斯、底板围岩气多源立体的“同抽同治”，采前、采中、采后的时空动态抽采系统。
3、通过多点、多段压裂增透手段，在储层内形成了一个由天然裂缝与人工改造的多级、多类裂缝相互交错的裂缝网络体系，根本上改变储层三维空间渗透性，从而造成裂缝壁面与储层基质块的接触面积最大化，使得油气和瓦斯从任意方向的基质向裂缝的渗流距离最短，为储层流体运移产出提供了最佳、最畅通道，提高抽采效率，缩短抽采达标周期。
4、通过精细地质分析和沉积微相相控技术，透明化展示主采煤层开采影响范围内地层展布特征。并利用回转和定向滑移钻进技术，结合随钻测量系统的实时钻进参数监测，可实现钻孔轨迹的平面、剖面位置的实时反馈和精准控制，实现目标层位的精确治理。
附图说明
图1为本发明的煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法的流程图。
图2为本发明的围岩油气与煤层储层增透抽采裂缝网络体系图。
其中，附图标记：
1.顶板羽状定向长钻孔主孔；2.顺煤层定向长钻孔；3.底板梳状长钻孔主孔；4.增透裂缝网络体系；5.顶板油气层；6.煤层；7.底板油气层；8.顶板羽状定向长钻孔分支孔；9.底板梳状长钻孔分支孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参见图1和图2，本实施例提供一种煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法。
如图1所示，煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法汇聚了顶板羽状定向长钻孔主孔1、顺煤层定向长钻孔2、底板梳状长钻孔主孔3分段压裂增透技术等瓦斯强化抽采技术，通过采前、采中、采后的时空动态抽采，实现了顶板围岩气、煤层瓦斯、底板围岩气多源立体的“同抽同治”，构建了一个由天然裂缝与人工改造的多级、多类裂缝相互交错的裂缝网络体系4，从根本上改变储层三维空间透气性，提高了瓦斯抽采效率，有效缩短抽采达标周期。其具体包含如下步骤：
S10：收集治理区域的地质资料，并以构造边界、油气目标层或煤层歼灭区域、目标层厚度、矿权边界、自然地理边界为围岩油气赋存边界，依据围岩油气赋存边界和地质资料，计算煤层瓦斯地质储量和围岩油气地质储量；
煤层瓦斯地质储量计算公式为：Gi＝0.01AhD Cad，Cad＝Cadf(100-Mad-Ad)/100；
其中，Gi—煤层瓦斯地质储量，108m3；A—煤层含气面积，km2；h—煤层厚度，m；D—煤的空气干燥基质量密度，t/；Cad—煤的空气干燥基含气量，m3/t；Cadf煤的干燥无灰基，m3/t；Mad煤中原煤基水分，％；Ad—煤中灰分，％；
围岩油气地质储量计算公式为：
Figure GDA0002969871720000051
其中，Qg—围岩油气地质储量，108m3；A—油气含气面积，km2；h—煤层厚度，m；
Figure GDA0002969871720000052
—有效孔隙度；Sgi—原始含气饱和度，％；Bgi油气原始体积系数；
在S10中，收集治理区域的地质资料包括煤层厚度等值线图、构造发育平面分布图、油气岩层厚度等值线图，矿井地质报告，治理区域内岩性平剖面分布，煤质分析结果，煤层气含量，油气原始含气饱和度及油气原始体积系数。
在S10中，目标层边界厚度是指：煤层低于0.5m，油气岩层低于0.7m。
在S10中，围岩油气赋存边界，是指利用地面和井下钻孔实钻揭露的岩性特征，结合在钻探施工过程中，油气涌出或喷出现象，综合沉积相岩性分析方法进行确定。
S20：依据计算的煤层瓦斯地质储量和围岩油气地质储量，圈定治理区域的范围，以抽采达标体系为基准，结合油气赋存状态，建立钻孔布置合理参数模型；
在S20中，抽采达标体系包括围岩油气压力、围岩油气地质储量和油气预抽率，其中，围岩油气压力降至0.74MPa以下，围岩油气地质储量低于4m3/t，油气预抽率达到30％以上；
在S20中，钻孔布置合理参数模型包括钻孔层位、钻孔长度L、直径D、数目n及分支数目m，层位选择根据围岩油气和煤层瓦斯赋存位置选择，通过定向长钻孔装备和技术进行控制；
其中，L为500～800m，D为96mm或120mm，n＝Gi/gi+Qg/qg；
gi为单个顺煤层分段压裂长钻孔t时间内的抽采量，qg围岩梳状或羽状长钻孔t时间内抽采量，t为设计抽采达标时间。
S30：在煤层6中施工顺煤层定向长钻孔2，并进行分段水力压裂施工；
根据优选的顶板围岩油气层位5分布特征，将顶板羽状定向长钻孔主孔1布置于围岩油气层位中部，通过上、下开分支，形成顶板羽状定向长钻孔分支孔8，结合分段压裂装备，在顶板羽状定向长钻孔分支孔8和顶板羽状定向长钻孔主孔1进行分段压裂施工；
根据优选的底板围岩油气层位7分布特征，将底板梳状长钻孔主孔3布置于围岩油气层位中部，通过向上开底板梳状长钻孔分支孔9，并进行压裂增透施工，辅以采空区埋管及密闭插管治理方法，建立采前、采中、采后时间立体，顶板油气、底板油气、煤层瓦斯、采空区瓦斯、三维空间的多源时空立体综合抽采防治方法系统；
S40：通过抽采数据监测，结合抽采达标周期参数，综合评价治理效果，为类似地质条件下的治理区域提供设计依据。
在S40中，回采前超前在油气目标层位和煤层中布置定向长钻孔长度大于500m，并采用分段水力压裂技术进行增透施工；
采前预抽采用顺煤层定向长钻孔2、顶板羽状定向长钻孔主孔1及底板梳状长钻孔主孔3分段增透预抽，达到回采达标条件，进行回采；
采中利用顶板羽状定向长钻孔主孔1、底板梳状长钻孔主孔3分段增透抽采及采空区埋管抽采技术进行动态抽采；
采后通过顶板羽状定向长钻孔主孔1和密闭插管抽采进行抽采，如过回采后底板抽采钻孔为发生或完全发生堵塞、坍塌，底板梳状孔仍可作为抽采钻孔进行采空区瓦斯抽采；
顺煤层定向长钻孔2分段增透预抽治理主采煤层瓦斯，顶板羽状定向长钻孔主孔1抽采顶板油气和采空区瓦斯，兼顾抽采本煤层瓦斯；底板梳状长钻孔主孔3抽采底板油气，兼顾抽采本煤层瓦斯；采空区埋管抽采和密闭插管抽采针对采空区瓦斯和油气进行抽采。
综上所述，本实施例的煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法具有如下效果：
1、形成了针对煤油气共存矿井灾害的多维度立体化围岩油气—煤层瓦斯的综合抽采防治技术，实现采动空间灾害气体动态的时空立体抽采，提高矿井采掘和瓦斯抽采效率，从根本上解决矿井气体灾害问题。
2、以围岩气及煤层瓦斯治理区域精准预测结果为基础，结合定向长钻孔工艺技术，综合采用顶板羽状、顺煤层、底板梳状分段压裂增透方法，提出了顶板围岩气、煤层瓦斯、底板围岩气多源立体的“同抽同治”，采前、采中、采后的时空动态抽采系统。
3、通过多点、多段压裂增透手段，在储层内形成了一个由天然裂缝与人工改造的多级、多类裂缝相互交错的裂缝网络体系，根本上改变储层三维空间渗透性，从而造成裂缝壁面与储层基质块的接触面积最大化，使得油气和瓦斯从任意方向的基质向裂缝的渗流距离最短，为储层流体运移产出提供了最佳、最畅通道，提高抽采效率，缩短抽采达标周期。
4、通过精细地质分析和沉积微相相控技术，透明化展示主采煤层开采影响范围内地层展布特征。并利用回转和定向滑移钻进技术，结合随钻测量系统的实时钻进参数监测，可实现钻孔轨迹的平面、剖面位置的实时反馈和精准控制，实现目标层位的精确治理。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，其特征在于，包含如下步骤：
S10：收集治理区域的地质资料，并以油气目标层或煤层歼灭区域或目标层厚度或矿权边界或自然地理边界为围岩油气赋存边界，依据围岩油气赋存边界和地质资料，计算煤层瓦斯地质储量和围岩油气地质储量；
煤层瓦斯地质储量计算公式为：Gi＝0.01AhDCad，Cad＝Cadf(100-Mad-Ad)/100；
其中，Gi—煤层瓦斯地质储量，108m3；A—煤层含气面积，km2；h—煤层厚度，m；D—煤的空气干燥基质量密度，t/m3；Cad—煤的空气干燥基含气量，m3/t；Cadf煤的干燥无灰基，m3/t；Mad煤中原煤基水分，％；Ad—煤中灰分，％；
围岩油气地质储量计算公式为：
Figure FDA0003065205990000011
其中，Qg—围岩油气地质储量，108m3；A—油气含气面积，km2；h—煤层厚度，m；
Figure FDA0003065205990000012
—有效孔隙度；Sgi—原始含气饱和度，％；Bgi油气原始体积系数；
S20：依据计算的煤层瓦斯地质储量和围岩油气地质储量，圈定治理区域的范围，以抽采达标体系为基准，结合油气赋存状态，建立钻孔布置合理参数模型；
S30：在煤层(6)中施工顺煤层定向长钻孔(2)，并进行分段水力压裂施工；
根据选取的顶板围岩油气层位(5)分布特征，将顶板羽状定向长钻孔主孔(1)布置于围岩油气层位中部，通过上、下开分支，形成顶板羽状定向长钻孔分支孔(8)，结合分段压裂装备，在顶板羽状定向长钻孔分支孔(8)和顶板羽状定向长钻孔主孔(1)进行分段压裂施工；
根据选取的底板围岩油气层位(7)分布特征，将底板梳状长钻孔主孔(3)布置于围岩油气层位中部，通过向上开底板梳状长钻孔分支孔(9)，并进行压裂增透施工，辅以采空区埋管及密闭插管治理方法，建立采前、采中、采后时间立体，顶板油气、底板油气、煤层瓦斯、采空区瓦斯、三维空间的多源时空立体综合抽采防治方法系统；
S40：通过抽采数据监测，结合抽采达标周期参数，综合评价治理效果，为类似地质条件下的治理区域提供设计依据。
2.根据权利要求1所述的煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，其特征在于：
在S10中，所述收集治理区域的地质资料包括煤层厚度等值线图和构造发育平面分布图和油气岩层厚度等值线图和矿井地质报告和治理区域内岩性平剖面分布和煤质分析结果，煤层气含量，油气原始含气饱和度及油气原始体积系数。
3.根据权利要求2所述的煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，其特征在于：
在S10中，目标层厚度是指：煤层低于0.5m，油气岩层低于0.7m。
4.根据权利要求3所述的煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，其特征在于：
在S10中，围岩油气赋存边界，是指利用地面和井下钻孔实钻揭露的岩性特征，结合在钻探施工过程中，油气涌出或喷出现象，综合沉积相岩性分析方法进行确定。
5.根据权利要求1所述的煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，其特征在于：
在S20中，抽采达标体系包括围岩油气压力、围岩油气地质储量和油气预抽率，其中，围岩油气压力降至0.74MPa以下，围岩油气地质储量低于4m3/t，油气预抽率达到30％以上。
6.根据权利要求5所述的煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，其特征在于：
在S20中，钻孔布置合理参数模型包括钻孔层位、钻孔长度L、直径D、数目n及分支数目m，钻孔层位选择根据围岩油气和煤层瓦斯赋存位置选择，通过定向长钻孔装备和定向长钻孔技术进行控制；
其中，L为500～800m，D为96mm或120mm，n＝Gi/gi+Qg/qg；
gi为单个顺煤层分段压裂长钻孔t时间内的抽采量，qg围岩梳状或羽状长钻孔t时间内抽采量，t为设计抽采达标时间。
7.根据权利要求6所述的煤油气共存矿井立体综合高效精准治理技术方法，其特征在于：
在S40中，回采前超前在油气目标层位和煤层中布置定向长钻孔长度大于500m，并采用分段水力压裂技术进行增透施工；
采前预抽采用顺煤层定向长钻孔(2)和顶板羽状定向长钻孔主孔(1)及底板梳状长钻孔主孔(3)分段增透预抽，达到回采达标条件，进行回采；
采中利用顶板羽状定向长钻孔主孔(1)和底板梳状长钻孔主孔(3)分段增透抽采及采空区埋管抽采技术进行动态抽采；
采后通过顶板羽状定向长钻孔主孔(1)和密闭插管抽采进行抽采，如果回采后底板抽采钻孔为发生或完全发生堵塞或坍塌，底板梳状长钻孔仍可作为抽采钻孔进行采空区瓦斯抽采；
顺煤层定向长钻孔(2)分段增透预抽治理主采煤层瓦斯，顶板羽状定向长钻孔主孔(1)抽采顶板油气和采空区瓦斯，兼顾抽采本煤层瓦斯；底板梳状长钻孔主孔(3)抽采底板油气，兼顾抽采本煤层瓦斯；采空区埋管抽采和密闭插管抽采针对采空区瓦斯和油气进行抽采。
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